TWI523743B

TWI523743B - Spherical Linkage Robotic Arm

Info

Publication number: TWI523743B
Application number: TW103102343A
Authority: TW
Inventors: Ren-Zheng Wang
Original assignee: Hiwin Tech Corp
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2016-03-01
Also published as: DE102014105393A1; US20150202780A1; TW201529257A; US9440362B2; DE102014105393B4

Description

球狀連桿式機械手臂

本發明係與機械手臂有關，特別是關於一種球狀連桿式機械手臂。

請參閱我國專利申請號為102121198之發明專利案，該專利提供一種採用球狀五連桿機構之機械手臂，係包含有兩兩相連接之四彎桿，每一彎桿兩端之旋轉軸心皆通過同一球形旋轉中心。該機械手臂主要係應用於微創手術系統，用以安裝一微型手術器械，並精準地控制該微型手術器械之擺動方向及擺動角度。

然而，前述之機械手臂因至少包含有四彎桿而具有相當之體積，而微創手術系統通常包含有許多機械手臂，藉以安裝許多不同功能的微型手術器械，因此，對於相當有限之手術空間而言，若能減小機械手臂之體積，將有利於微創手術系統之空間配置，並可避免對醫務人員之動作造成阻礙。

此外，在前述之機械手臂中，由於該等彎桿之作動係相互牽制，且驅動該等彎桿轉動之驅動裝置也會在空間上造成限制，進而限制了各該彎桿之轉動角度，因此該機械手臂僅能帶動微型手術器械在相當有限的工作區間內作動。

有鑑於上述缺失，本發明之主要目的在於提供一種球狀連桿式機械手臂，其體積較小、可讓操作人員較無阻礙地動作，且可產生較大的工作區間。

為達成上述目的，本發明所提供之球狀連桿式機械手臂包含有一第一彎桿、一第一比例輪、一第二彎桿、一第二比例輪、一第一撓性繩、一器械桿、一第三比例輪，以及一第二撓性繩。該第一彎桿兩端分別具有一第一樞接部及一第二樞接部，並能定義出分別通過該第一樞接部及該第二樞接部之一第一假想軸線及一第二假想軸線，該第一假想軸線與該第二假想軸線係相交於一球形旋轉中心，該第一彎桿係能受一第一驅動單元驅動而以該第一假想軸線為中心轉動。該第一比例輪係能定義出一通過該球形旋轉中心之第三假想軸線，並能受一第二驅動單元驅動而以該第三假想軸線為中心轉動。該第二彎桿兩端分別具有一第三樞接部及一第四樞接部，並能定義出一通過其第四樞接部及該球形旋轉中心之第四假想軸線，該第二彎桿係以其第三樞接部與該第一彎桿之第二樞接部樞接。該第二比例輪係固定於該第二彎桿之第三樞接部並與該第一彎桿之第二樞接部樞接。該第一撓性繩係繞設於該第一比例輪及該第二比例輪且固定於該第二彎桿，並在該第一比例輪轉動時帶動該第二比例輪及該第二彎桿以該第二假想軸線為中心轉動。該器械桿及該第三比例輪係相互固定並與該第二彎桿之第四樞接部樞接。該第二撓性繩係繞設於該第二比例輪及該第三比例輪且固定於該第一彎桿，並在該第二比例輪轉動時帶動該第三比例輪及該器械桿以該第四假想軸線為中心轉動。

藉此，該球狀連桿式機械手臂可用以於該器械桿安裝一器械，並能精準地控制該器械繞該球形旋轉中心而擺動，而且，相較於習用之具有相同功能之機械手臂，本發明所提供之機械手臂的彎桿數量較少，因而體積較小，並可讓出較大之空間供操作人員動作，且各彎桿之轉動角度較不受限，因此可讓操作人員較無阻礙地動作，並可產生較大的工作區間。

有關本發明所提供之球狀連桿式機械手臂的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

10‧‧‧球狀連桿式機械手臂

20‧‧‧驅動裝置

22‧‧‧固定座

24‧‧‧第一驅動單元

244、245‧‧‧皮帶輪

246‧‧‧皮帶

26‧‧‧第二驅動單元

262‧‧‧馬達

264‧‧‧傳動輪

30‧‧‧球狀機構

31‧‧‧第一彎桿

31A、31B‧‧‧桿體

31C‧‧‧張力調整器

311‧‧‧第一樞接部

312‧‧‧第二樞接部

32‧‧‧第一比例輪

33‧‧‧第二彎桿

33A‧‧‧桿體

33B‧‧‧張力調整器

331‧‧‧第三樞接部

332‧‧‧第四樞接部

34‧‧‧第二比例輪

35‧‧‧器械桿

351‧‧‧第五樞接部

352‧‧‧安裝部

36‧‧‧第三比例輪

37‧‧‧第一撓性繩

38‧‧‧第二撓性繩

C‧‧‧球形旋轉中心

L1‧‧‧第一假想軸線

L2‧‧‧第二假想軸線

L3‧‧‧第三假想軸線

L4‧‧‧第四假想軸線

第1圖至第3圖為本發明一較佳實施例所提供之球狀連桿式機械手臂從三不同角度看的立體圖；第4圖為本發明該較佳實施例所提供之球狀連桿式機械手臂的一球狀機構之立體示意圖；以及第5圖係類同於第4圖，惟第4圖中該球狀機構之第一、三假想軸線係重合，而第5圖中該球狀機構之第一、三假想軸線係不重合。

申請人首先在此說明，在以下將要介紹之實施例以及圖式中，相同之參考號碼，表示相同或類似之元件或其結構特徵。其次，當述及一元件設置於另一元件上時，代表前述元件係直接設置在該另一元件上，或者前述元件係間接地設置在該另一元件上，亦即，二元件之間還設置有一個或多個其他元件。

請先參閱第1圖至第4圖，本發明一較佳實施例所提供之球狀連桿式機械手臂10包含有一驅動裝置20，以及一球狀機構30。

在此需先說明的是，本發明所述之「球狀連桿式機械手臂」及「球狀機構」中「球狀」係指其中每一能轉動之部位的旋轉軸心(亦即下文中所述之第一、二、三、四假想軸線L1、L2、L3、L4)交會於一球形旋轉中心C(center of spherical rotation)，因此，在作動的過程中，各該能轉動之部位可視為在以該球形旋轉中心C為球心之假想球面上移動。

該球狀連桿式機械手臂10係用以在該球狀機構30設置一器械裝置(圖中未示)，該器械裝置包含有一用以產生特定功能之器械，例如微型手術器械，且該器械通常會被設置成大概指向該球形旋轉中心C或通過該球形旋轉中心C。藉由該球狀機構30帶動該器械裝置，即可使該器械實質上繞該球形旋轉中心C擺動，並可精準地控制該器械之擺動方向及擺動角度。該球狀連桿式機械手臂10之結構詳述如下。

該驅動裝置20包含有一固定座22，以及設置於該固定座22之一第一驅動單元24及一第二驅動單元26。該第一驅動單元24包含有一馬達(圖中未示)，以及用以將該馬達輸出之旋轉動能傳遞至該球狀機構30的兩皮帶輪244、245及一皮帶246。該第二驅動單元26包含有一馬達262，以及用以將該馬達262輸出之旋轉動能傳遞至該球狀機構30的一傳動輪 264。

該球狀機構30包含有一第一彎桿31、一第一比例輪32、一第二彎桿33、一第二比例輪34、一器械桿35、一第三比例輪36、一第一撓性繩37，以及一第二撓性繩38。

該第一彎桿31包含有同步作動之兩桿體31A、31B，以及一設置於該桿體31A之張力調整器31C，各該桿體31A、31B兩端分別具有一第一樞接部311及一第二樞接部312，並能定義出通過該兩第一樞接部311之第一假想軸線L1，以及通過該兩第二樞接部312之第二假想軸線L2，該第一假想軸線L1與該第二假想軸線L2係相交於球形旋轉中心C。該兩第一樞接部311係與該第一驅動單元24之皮帶輪245同軸設置，並能受該皮帶輪245帶動而轉動，亦即，該第一彎桿31係能受該第一驅動單元24驅動而以該第一假想軸線L1為中心轉動。

該第一比例輪32係能定義出通過該球形旋轉中心C之第三假想軸線L3，且係設於該第一彎桿31之該兩桿體31A、31B之間。在本實施例中，該第一比例輪32係與該第一彎桿31之第一樞接部311同軸設置，因此，該第三假想軸線L3係與該第一假想軸線L1重合。然而，該第一比例輪32亦可不與該第一彎桿31之第一樞接部311同軸地設置，使得該第三假想軸線L3不與該第一假想軸線L1重合，如第5圖所示。

該第二彎桿33包含有一設於該第一彎桿31之該兩桿體31A、31B之間的桿體33A，以及一設置於該桿體33A之張力調整器33B，該桿體33A兩端分別具有一第三樞接部331及一第四樞接部332，該第三樞接部331係與該第一彎桿31的第二樞接部312樞接，且該第三樞接部331係能以該第二假想軸線L2為中心而相對該第二樞接部312轉動。此外，該第二彎桿33能定義出通過其第四樞接部332之第四假想軸線L4，且該第四假想軸線L4亦通過該球形旋轉中心C。

該第二比例輪34係設於該第一彎桿31之該兩桿體31A、31B之間，且通過該第二彎桿33的第三樞接部331，該第二比例輪34係與該第一彎桿31的第二樞接部312樞接，並固定於該第二彎桿33的第三樞接部331，因而可與該第三樞接部331同步轉動。

該器械桿35兩端分別具有一第五樞接部351及一安裝部 352，該第五樞接部351係與該第二彎桿33之第四樞接部332樞接，且該第五樞接部351係能以該第四假想軸線L4為中心而相對該第四樞接部332轉動。該安裝部352係用以與該器械裝置連接。

該第三比例輪36係與該第二彎桿33的第四樞接部332樞接，並位於該第四樞接部332與該器械桿35的第五樞接部351之間，而且，該第三比例輪36係固定於該第五樞接部351，因而可與該第五樞接部351同步轉動。

各該撓性繩37、38可(但不限於)為鋼索，該第一撓性繩37係繞設於該第二驅動裝置26之傳動輪264、該第一比例輪32及該第二比例輪34且固定於該第二彎桿33之張力調整器33B，該第二撓性繩38係繞設於該第二比例輪34及該第三比例輪36且固定於該第一彎桿31之張力調整器31C。當該傳動輪264受該馬達262驅動而轉動時，該第一撓性繩37會隨之轉動而帶動該第一比例輪32轉動，並帶動該第二比例輪34及該第二彎桿33以該第二假想軸線L2為中心轉動，同時，該第二撓性繩38會隨該第二比例輪34轉動而帶動該第三比例輪36及該器械桿35以該第四假想軸線L4為中心轉動，而且，該等比例輪32、34、36之轉動角度會依據其外徑比值而有特定的比例關係。因此，利用該第二驅動單元26控制該第一比例輪32之轉動角度，即可控制該第二彎桿33及該器械桿35的轉動角度。

值得一提的是，該兩張力調整器31C、33B係分別用以供使用者調整第二撓性繩38及第一撓性繩37的張力，該第一彎桿31及該第二彎桿33亦可不設有張力調整器31C、33B，而使撓性繩37、38固定於桿體33A、31A。

在本實施例中，該第一彎桿31與該第二彎桿33係實質上長度相等，該第一比例輪32之外徑係與該第三比例輪36之外徑相等，且為該第二比例輪34之外徑的兩倍，亦即，第一、二、三比例輪之外徑比為2：1：2，如此一來，該器械桿35在任何情況下，其第五樞接部351都會大概朝向該第一彎桿31之第一樞接部311，使得該安裝部352朝向遠離該第一樞接部311之方向，如此可避免該器械裝置與該球狀機構30或該驅動裝置20相互碰撞，並簡化該球狀機構30之控制程式的計算。然而，本發明所提供之球狀連桿式機械手臂不限於具有前述之特徵。

值得一提的是，本發明所述之「該第一彎桿與該第二彎桿係實質上長度相等」，其中所指該第一彎桿31之長度係定義為第一、二假想軸線L1、L2在第一、二樞接部311、312所位在之假想球面上的距離，亦即第一、二樞接部311、312之中心點在其所在之假想球面上所連成之弧線的長度；同樣地，該第二彎桿33之長度係定義為第二、四假想軸線L2、L4在第三、四樞接部331、332所位在之假想球面上的距離，亦即第三、四樞接部331、332之中心點在其所在之假想球面上所連成之弧線的長度。此外，本發明所述之第一、二、三比例輪32、34、36之外徑係定義為各該比例輪32、34、36用以供撓性繩37、38纏繞之外周面的曲率半徑。

相較於先前技術中所述習用之機械手臂，本發明所提供之機械手臂10不但可產生相同之功能，且該機械手臂10因彎桿數量較少而體積較小，應用於微創手術系統中係較習用之機械手臂更有利於空間配置，且可讓出較大之空間供操作人員動作，甚至可讓左撇子及右撇子的操作人員都能順暢地動作。此外，該機械手臂10因彎桿數量較少而使得各彎桿之轉動角度較不受限，因此可產生較大的工作區間。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。